ประเภทของดาวเทียม

 

ดาวเทียม (satellite) คืออุปกรณ์วิทยาศาสตร์ที่มนุษย์ส่งขึ้นไปโคจรรอบโลกเพื่อใช้ประโยชน์ต่างๆ กัน ด้วยอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงและข้อจำกัดทางกายภาพ ทำให้ดาวเทียมแต่ละประเภทจำเป็นต้องอยู่ในวงโคจรที่เหมาะสม เป็นต้นว่า ถ้าต้องการให้ดาวเทียมเคลื่อนที่เร็ว-ดาวเทียมต้องโคจรใกล้โลก  ถ้าต้องการให้ดาวเทียมเคลื่อนที่ช้า-ดาวเทียมต้องโคจรห่างจากโลก  ถ้าต้องการให้ดาวเทียเคลื่อนที่เสมือนหยุดนิ่งอยู่เหนือจุดภูมิศาสตร์ที่กำหนด-ดาวเทียมต้องโคจรตามโลกในแนวศูนย์สูตรที่ระยะสูง 35,786 กิโลเมตร  นอกจากนั้นแล้วมุมเอียงของ
 วงโคจรยังเป็นตัวกำหนดพื้นที่ผิวโลกที่ดาวเทียมจะลอยผ่าน  ในปัจจุบันมีการใช้ดาวเทียมทำภารกิจที่หลากหลายมาก ในบทนี้จะจำแนกดาวเทียมตามประโยชน์การใช้งานหลักๆ เป็น 8 ประเภท ได้แก่


ดาวเทียมถ่ายภาพรายละเอียดสูง (High Resolution Imaging Satellite)

หลักการของดาวเทียมถ่ายภาพคือ การถ่ายภาพพื้นโลกจากเบื้องสูง ถ้าดาวเทียมลอยต่ำจะได้ภาพรายละเอียดสูงแต่ครอบคลุมพื้นที่ไม่กว้าง  ถ้าดาวเทียมลอยสูงก็จะได้ภาพรายละเอียดต่ำแต่ครอบคลุมพื้นที่กว้าง อย่างไรก็ตามดาวเทียมไม่สามารถลอยอยู่เฉยๆ มันต้องโคจรรอบโลก คาบการโคจรเหนือพื้นที่เดิม (Revisit time) ของวงโคจรต่ำใช้เวลานานกว่าวงโคจรที่สูงกว่า ถ้าดาวเทียมโคจรค้างฟ้า ดาวเทียมจะถ่ายภาพซ้ำพื้นที่เดิมได้ตลอดเวลา 

ดาวเทียมถ่ายภาพส่วนมากใช้วงโคจรต่ำ (LEO) ที่ระยะสูงประมาณ 300 - 700 กิโลเมตร เพื่อให้ได้ภาพรายละเอียดสูง โดยมีวงโคจรพ้องมุมดวงอาทิตย์ (Sun-Synchronous Orbit) เพื่อให้สแกนถ่ายภาพพื้นผิวได้ครอบคลุมทุกพื้นที่ของโลก และมีมุมสะท้อนแสงอาทิตย์เท่าๆ กัน เพื่อนำมาใช้ในการวิเคราะห์เปรียบเทียบ  โดยใช้เซนเซอร์ถ่ายภาพแบบ Multispectral ในย่านแสงที่ตามองเห็น (visible light) และรังสีอินฟราเรด ให้ภาพรายละเอียด 0.3 – 1 เมตร/พิกเซล นำไปประยุกต์ใช้ในการทำแผนที่ภูมิสารสนเทศ เช่น ดาวเทียม IKONOS, QuickBird, WorldView ซึ่งใช้ประยุกต์ทำแผนที่ Google Maps เป็นต้น  ตัวอย่างภาพที่ 1 เป็นภาพถ่ายรายละเอียดสูงของพระบรมมหาราชวัง โดยดาวเทียม GeoEye-1 ที่ระยะสูง 680 กิโลเมตร 

ภาพที่ 1 ภาพถ่ายรายละเอียดสูงของดาวเทียมวงโคจรต่ำ
(ที่มา: GeoEye)

ดาวเทียมถ่ายภาพด้วยเรดาร์ (Synthetic Aperture Radar Satellite)

ดาวเทียมถ่ายภาพด้วยแสงที่ตาเห็น (visible light) และด้วยรังสีอินฟาเรด ไม่สามารถมองผ่านก้อนเมฆและฝุ่นละอองได้  ดาวเทียมบางดวงจึงติดตั้งเรดาร์ (Synthetic Aperture Radar “SAR”) ส่งคลื่นวิทยุ (radio waves) ซึ่งมีช่วงความยาวคลื่นมากกว่าโมเลกุลของน้ำและอากาศ ผ่านทะลุก้อนเมฆ ไปสะท้อนพื้นผิวกลับมาสังเคราะห์เป็นรูปภาพ  และเนื่องจากพื้นผิวแต่ละชนิดมีคุณสมบัติในการสะท้อนคลื่นวิทยุแตกต่างกัน ภาพถ่ายที่สังเคราะห์ขึ้นจากคลื่นเรดาร์จึงสามารถวิเคราะห์คุณลักษณะของพื้นผิวได้  ภาพที่ 2 แสดงภาพสนามบินสุวรรณภูมิที่สังเคราะห์จากเรดาร์บนดาวเทียม Capella  

ภาพที่ 2 ภาพสนามบินสุวรรณภูมิจากระบบเรดาร์บนดาวเทียม (ที่มา:UP42)

ดาวเทียมสำรวจทรัพยากร (Earth Observation Satellite)

ดาวเทียมสำรวจโลกมีลักษณะวงโคจรแบบเดียวกับดาวเทียมถ่ายภาพ เพียงแต่ใช้วงโคจรที่อยู่สูงจากพื้นโลกประมาณ 700 - 1,000 กิโลเมตร เพื่อให้สามารถถ่ายภาพปกคลุมพื้นผิวโลกเป็นบริเวณกว้าง โดยใช้เซนเซอร์แบบ Hyperspectral ให้ภาพรายละเอียด 2 – 40 กิโลเมตร/พิกเซล ทำการถ่ายภาพแบบหลายช่วงคลื่น ช่วยในการวิเคราะห์สิ่งแวดล้อมโลกได้หลายตัวแปรพร้อมๆ กัน เช่น อุณหภูมิพื้นผิว, จุดร้อน (hot spot), ความหนาของฝุ่นละออง, องค์ประกอบทางเคมีของบรรยากาศ, คุณภาพของพืชพรรณ  ดาวเทียมสำรวจโลกที่มีชื่อเสียง ได้แก่ Landsat, Terra, Aqua ซึ่งตรวจจับจุดร้อน (Hotspots) ซึ่งอาจเกิดจากการเผาป่า ดังแสดงในภาพที่ 3

ภาพที่ 3 จุดร้อน Hotspots (ที่มา: NASA FIRMS)

ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยา (Meteorological Satellite) 

ดาวเทียมอุตุนิยมวิทยาใช้วงโคจรสองประเภท คือ วงโคจรสถิต (GEO) และ วงโคจรต่ำ (LEO)  ดาวเทียมวงโคจรสถิต เช่น GEOS, MTSAT, Himawari ลอยอยู่เหนือจุดภูมิศาสตร์คงที่บนเส้นศูนย์สูตรโลก ถ่ายภาพมุมกว้างครอบคลุมพื้นทวีปและมหาสมุทร เพื่อศึกษาสภาพอากาศในภาพรวม และติดตามการเคลื่อนที่ของพายุขนาดใหญ่ เช่น ไต้ฝุ่น เฮอร์เคน ดังแสดงในภาพที่ 4 ส่วนดาวเทียมวงโคจรต่ำ เช่น NOAA ติดตามการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศในระดับภูมิภาค  โดยการถ่ายภาพเซลล์ก้อนเมฆซึ่งเคลื่อนที่อยู่เหนือท้องถิ่น ดังแสดงในภาพที่ 5 

ภาพที่ 4 ภาพจากดาวเทียม Himawari

ภาพที่ 5 ภาพจากดาวเทียม NOAA

ดาวเทียมนำทาง (์Navigation Satellite) 

หลักการของดาวเทียมนำทางคือ การส่งดาวเทียมหลายดวงขึ้นไปทำหน้าที่เป็นประภาคารลอยฟ้า ส่งสัญญาณวิทยุออกมาเป็นจังหวะพร้อมๆ กัน แต่เนื่องจากสัญญาณวิทยุต้องใช้เวลาในการเดินทางมาบนพื้นผิวโลก เครื่องรับบนพื้นโลกแต่ละแห่ง จึงได้รับสัญญาณจากดาวเทียมแต่ละดวงไม่พร้อมกัน วงจรอิเล็กทรอนิกส์ในเครื่องรับจะแปลค่าสัญญาณเวลาที่แตกต่าง เป็นระยะทางจากดาวเทียมแต่ละดวง เพื่อคำนวณตำแหน่งพิกัดภูมิศาสตร์ของเครื่องรับ ดังแสดงในภาพที่ 6 

ระบบนำร่องด้วยดาวเทียม หรือ Global Navigation Satellite System (GNSS) ที่มีใช้งานอย่างแพร่หลายมี 4 ระบบ ได้แก่ ระบบดาวเทียม Global Positioning System (GPS) ของสหรัฐอเมริกา, GLONASS ของรัสเซีย, Galileo ของสหภาพยุโรป และ Beidou ของจีน ยกตัวอย่าง ระบบดาวเทียม GPS ของสหรัฐฯ ใช้ดาวเทียม 24 - 35 ดวง โคจรรอบโลกเป็น 6 ระนาบๆ ละประมาณ 4 ดวง ที่ระยะสูง 20,200 กิโลเมตร โดยแต่ละดวงใช้เวลารอบละ 12 ชั่วโมง จะทำให้ทุกตำแหน่งบนพื้นโลกสามารถรับสัญญาณจากดาวเทียม GPS พร้อมๆ กันไม่น้อยกว่า 4 ดวง ดังแสดงในภาพที่ 7 

ภาพที่ 6 การหาตำแหน่งจากดาวเทียม (ที่มา: eeLinkTracker) 

ระบบนำร่องด้วยดาวเทียม หรือ Global Navigation Satellite System (GNSS) ที่มีใช้งานอย่างแพร่หลายมี 4 ระบบ ได้แก่ ระบบดาวเทียม Global Positioning System (GPS) ของสหรัฐอเมริกา, GLONASS ของรัสเซีย, Galileo ของสหภาพยุโรป และ Beidou ของจีน  ยกตัวอย่าง ระบบดาวเทียม GPS ของสหรัฐฯ ใช้ดาวเทียม 24 - 35 ดวง โคจรรอบโลกเป็น 6 ระนาบๆ ละประมาณ 4 ดวง ที่ระยะสูง 20,200 กิโลเมตร โดยแต่ละดวงใช้เวลารอบละ 12 ชั่วโมง จะทำให้ทุกตำแหน่งบนพื้นโลกสามารถรับสัญญาณจากดาวเทียม GPS พร้อมๆ กันไม่น้อยกว่า 4 ดวง ดังแสดงในภาพที่ 7 

ภาพที่ 7 ระบบ GPS (ที่มา: NOAA)

ดาวเทียมโทรคมนาคม (Telecommunication Satellite)

หลักการของดาวเทียมโทรคมนาคม คือ การใช้ดาวเทียมเป็นเสมือนเสาอากาศลอยฟ้า เพื่อส่งทอดสัญญาณไปรอบโลก  ภาพที่ 6 แสดงการใช้ดาวเทียมโคจรในวงโคจรสถิต (GEO) ที่ระยะสูง 35,786 กิโลเมตร เพื่อถ่ายทอดสัญญาณข้ามส่วนโค้งของโลก จากทวีปหนึ่งไปยังอีกทวีปหนึ่ง ดาวเทียมวงโคจรสถิต 1 ดวง สามารถส่งสัญญาณครอบคลุมพื้นที่การติดต่อประมาณ 1/3 ของผิวโลก และถ้าจะให้ครอบคลุมพื้นที่ทั่วโลก จะต้องใช้ดาวเทียมวงโคจรสถิตอย่างน้อย 3 ดวง ดังแสดงในภาพที่ 8 

ภาพที่ 6 การถ่ายทอดสัญญาณรอบโลก

เนื่องจากดาวเทียมวงโคจรสถิตจะลอยอยู่เหนือแนวเส้นศูนย์สูตรโลกเท่านั้น จึงมีความต้องการใช้วงโคจรนี้อย่างหนาแน่นดังแสดงในภาพที่ 9 พื้นที่ใช้งานในวงโคจรสถิตถูกแบ่งเป็นช่องๆ เรียกว่า “GEO slot” แต่ละช่องมีระยะห่างเชิงมุมประมาณครึ่งองศา เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ดาวเทียมอยู่ใกล้กันจนเกินไป หรือสัญญาณรบกวนกัน  ผู้ประสงค์ใช้งาน GEO slot จะต้องต่อคิวขออนุญาตจากสหภาพโทรคมนาคมสากล (International Telecommunication Union “ITU”) ในลักษณะ first come, first serve  ดาวเทียมบางระบบจึงเลี่ยงมาใช้วงโคจร GSO หรือ HEO แทน สำหรับดาวเทียมไทยจะมี GEO Slot ดังนี้ 

ภาพที่ 9 ตำแหน่งดาวเทียมในวงโคจรสถิต (ที่มา: AGI) 

นอกจากปัญหาเรื่องความหนาแน่นในวงโคจรสถิตแล้ว  ดาวเทียมวงโคจรสถิต (GEO) ยังมีปัญหาเรื่องความหน่วงของสัญญาณ (high latency) เนื่องจากระยะเวลาที่คลื่นต้องเดินทางระหว่างสถานีภาคพื้นกับดาวเทียม และระหว่างดาวเทียมกับดาวเทียม จึงไม่สามารถตอบสนองเทคโนโลยีการสื่อสารบนอินเทอร์เน็ต ซึ่งมีการรับส่งสัญญาณอย่างรวดเร็วสลับกันตลอดเวลา   บริษัท SpaceX ซึ่งเป็นผู้นำด้านการส่งจรวด กำลังส่งดาวเทียม Starlink จำนวนมากกว่า 12,000 ดวง ขึ้นไปใช้งานในวงโคจรต่ำ (LEO) เพื่อลดเวลาการเดินทางของสัญญาณ ดังแสดงในภาพที่ 10   

ภาพที่ 10 กลุ่มดาวเทียม Starlink (ที่มา: SpaceX) 

ดาวเทียมวิทยาศาสตร์ (Scientific Satellite)    

ดาวเทียมที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อการวิจัยทดลองทางวิทยาศาสตร์ ซึ่งมีวงโคจรเฉพาะตัวซึ่งออกแบบให้สอดคล้องกับภารกิจของดาวเทียมแต่ละดวง ยกตัวอย่าง 

ภาพที่ 11 จุดลากรังก์ (ที่มา: NASA)

ดาวเทียมทหาร  (Military Satellite)    

ดาวเทียมด้านความมั่นคงและดาวเทียมทหารส่วนมาก มีคุณสมบัติเหมือนดาวเทียมทั่วไป ตามที่กล่าวมาแล้ว เช่น ดาวเทียมถ่ายภาพ ดาวเทียมโทรคมนาคม ดาวเทียมพยากรณ์อากาศ เป็นต้น อย่างไรก็ตามดาวเทียมทหารบางประเภทมีขีดความสามารถพิเศษ ได้แก่ มีความคล่องตัวในการปรับวงโคจร มีเชื้อเพลิงสำหรับการเดินทางไกล มีระบบแจมสัญญาณ มีระบบป้องกันการแจมสัญญาณ มีระบบอาวุธ

ภาพที่ 12 ระบบตรวจจับรังสีอินฟราเรด SBIRS
(ที่มา: Wiki)